Il y'a deux grandes familles de solutions qui se distinguent fondamentalement du point de vue fonctionnel.
✓ Les convertisseurs à source de courant, commutés par les lignes utilisant des thyristors (l’ouverture naturelle de la valve au passage par zéro du courant appelée (CSC :current source converter ou LCC : Line Commutated Converter). C'est la technologie HDVC conventionnelle.
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✓ Les convertisseurs à source de tension (l’ouverture commandée de la valve utilisant des IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor) appelés VSC (Voltage Source Converter). C'est la technologie VSC- HDVC.
La technologie classique CSC (la commutation naturelle) est caractérisée par l'utilisation de thyristors GTO (Gate Turn-Off). C'est-à dire les dispositifs semi-contrôlés qui permettent de choisir l’instant d’amorçage. Le semi-conducteur devient passant, mais pas l’instant de blocage où le semi-conducteur cesse d’être passant. En effet, pour un thyristor, le blocage est naturel et intervient dès que le courant traversant le semi-conducteur est nul.
Les liaisons les plus récentes VSC-HVDC, ainsi que les projets aboutissant dans un avenir proche, utilisent soit des thyristors, soit des IGBT. Par la suite, c’est la technologie VSC qui s'intéressera à améliorer les performances de notre système.
1.5.1 La technologie CSC -HVDC
Un système de transport à courant continu est conçu pour acheminer la puissance d’un réseau 1 vers un réseau 2 et vice versa en utilisant une liaison continue. Les convertisseurs constituent la partie principale d'un système HVDC.
La technologie CSC-HVDC est constituée de trois parties principales :
1. Une station de conversion pour convertir le courant alternatif en courant continu appelé également redresseur.
2. Une ligne de transmission à courant continu.
3. Une deuxième station de conversion pour convertir de nouveau le courant continu en courant alternatif appelé également onduleur.
Généralement, le redresseur et l'onduleur sont symétriques et réversibles (ils peuvent échanger leur rôle). Le schéma de principe d’une connexion en tension continue est illustré dans la figure1.3.
Figure 1.3: Schéma de principe d'un système de transmission HVDC conventionnel. Réseau1
Puissance Réactive
Puissance Active
Réseau2 Puissance Réactive
Page 23 1.5.2 Présentation du thyristor
Le thyristor est un composant commandé à la fermeture, mais pas à l’ouverture (figure 1.4). Il est réversible en tension et supporte des tensions VAKaussi bien positives que négatives. Il n’est pas réversible en courant et ne permet que des courantsIAK positifs, c’est à
dire dans le sens anode-cathode, à l’état passant.
Figure 1.4:Symbole du thyristor
1.5.3 Caractéristiques et fonctionnement
Comme indiqué dans la figure 1.5, le composant est bloqué (OFF) si le courantIAK est nul quelque soit la tensionVAK. Si la tensionVAK est positive, le thyristor est amorcé.
L’amorçage (A) est obtenu par un courant de gâchetteIG positif d’amplitude suffisante, alors que la tensionVAK est positive. L’état passant (ON) est caractérisé par une tensionVAK nulle et un courantIAK positif.
Le blocage (B) apparaît dès annulation du courantIAK. On ne peut pas commander ce changement, mais on en distingue deux types : La commutation naturelle par annulation du courant IAK, ou la commutation forcée par inversion de la tensionVAK.
Page 24 Figure1.5 : Caractéristique du thyristor.
1.5.4
Le blocage par commutation naturelleCe blocage intervient par extinction naturelle du courant anode-cathode. Le montage de la figure 1.6 fournit un exemple de commutation naturelle qui se traduit par les chronogrammes de la figure 1.7.
Figure 1.6 : Commutation naturelle.
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1.6 La présentation des systèmes de transmission VSC-HVDC
La seconde génération utilise la technologie VSC. La différence principale entre les stations basées sur les convertisseurs de source de courant (CSC) qui utilisent la technologie de thyristor, et les stations basées sur les convertisseurs de source de tension (VSC) consiste à utiliser d'autres composants à la place des thyristors. La plupart du temps, on utilise des IGBT.
Les défauts de la première catégorie de système de transport HVDC classique sont focalisés sur la consommation de la puissance réactive dans le système, la présence des harmoniques. Ainsi que le thyristor ne peut être commuté en position ouverte en conduisant directement la grille. Ce qui limite la portée de son utilisation.
Grâce aux interrupteurs électroniques d’IGBT, ces technologies utilisées dans le transport VSC-HVDC présentent des avantages adéquats de point de vue technique et économique en le comparant avec celles des systèmes de transmission CSC-HVDC.
L’avantage majeur de la transmission VSC est sa capacité à contrôler indépendamment la puissance active et réactive dans les deux terminaux, ainsi que la facilité de connecter plus de deux convertisseurs DC au même réseau. La figure1.8 présente le schéma de principe d'un système de transmission VSC-HVDC.
Figure1.8: Schéma de principe d'un système de transmission VSC- HVDC.
L’utilisation des convertisseurs en source de tension est très intéressante dans des plateformes en mer (station offshore), et ceci est dû au fait que les convertisseurs VSC produisent moins d’harmoniques permettant de réduire le nombre de filtres passifs nécessaires, et il en résulte un gain du coût de l’installation.
Réseau1
Puissance Réactive Puissance Réactive Réseau2
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1.7 État de l’art de la structure IGBT
Depuis l’avènement du composant IGBT vers le milieu des années 80, on peut remarquer la prépondérance de son utilisation dans la conception des convertisseurs de puissance, vis-à-vis de ses concurrents tels que le (GTO: Gate Turn-Off), le thyristor ou le MOSFET de puissance. En effet, l’IGBT est utilisable sur une large gamme de tension (600V à 6,5kV) et de courant (10A à 3,6kA) pour une gamme de fréquence également étendue (10² à 104 Hz) comme montre la figure1.9.
Figure1.9:Gamme d’application des divers composants en fréquence et en puissance apparente.
Les convertisseurs à IGBT offrent les avantages suivants : dimension plus réduite, stabilité électrothermique du composant, commande en tension et un bon compromis chute de tension/vitesse de commutation.
Il existe plusieurs structures d’IGBT dans la littérature, chacune offrant des performances électriques différentes. Suivant leur composition structurale, les dispositifs IGBT offrent des comportements différents d’un point de vue physique.
Le paragraphe suivant présente de façon générale les principes de fonctionnement du composant ainsi que ces différentes structures, et donne une indication sur l’orientation du choix technologique du composant.
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L’élément de base de tout convertisseur est appelé la cellule de commutation figure 1.10. (a). Telle qu’elle est généralement définie en électronique de puissance, celle-ci est constituée de deux interrupteurs (K1 et K2) réversibles en courant, ainsi que d’une source de tension (E) non réversible.
La source de courant est généralement présente dans les structures réelles sous forme d’inductance et est réversible en courant. La figure 1.10 (b) montre les formes d’ondes de commutations à la fermeture, puis à l’ouverture.
Figure 1.10: a) Schéma d’une cellule de commutation; b) Formes d’ondes schématiques de
commutations (à la fermeture, puis à l’ouverture).
Les propriétés de commutation de la cellule sont fortement tributaires des caractéristiques de la charge, de la nature des interrupteurs actifs utilisés ainsi que du type de commande.
1.7.2 Caractéristiques et fonctionnement
Sur la figure 1.11(a), l’assemblage réversible en courant contient le transistor à gauche et un élément au centre qui se trouve être par inversion du sens des grandeurs une diode placée en parallèle inverse (antiparallèle). Le schéma résultant est indiqué à la figure 1.11 (b).
Page 28 Figure 1.11:a)Schéma Construction de l'assemblage, b) Transistor IGBT monté antiparallèle avec une
diode.